Forschungsschwerpunkt Entwurfsverfahren

Inhalt

• Einführung
• Ziele
• Beteiligte Institute
• Kooperationspartner
• Koordination
• Ergebnisse
  • Hardware-Software-Codesign
  • Neuartige Programmiermodelle
  • Softwarequalität und Reengineering
  • Entwurfsanwendungen
  • Integration und Entwurfsprozeß
  • Responsive Systeme
  • Service, Standards und Kooperation
• Ausgewählte Publikationen

Der internationalen Wettbewerb ist gekennzeichnet durch immer schnellere Innovation und damit kürzere Entwicklungszeiten. Damit ergibt sich die Notwendigkeit, elektronische Systeme und Subsysteme effizient, sicher und kostengünstig zu entwerfen. Nur eine Industrie, welche diesen Entwurf beherrscht, ist weltweit wettbewerbsfähig.

In den 80er Jahren war die Entwicklung der Entwurfsmethodik für hochintegrierte digitale Schaltungen die entscheidende Aufgabe. Diese Technik hat inzwischen einen hohen Grad an Reife erreicht. Noch nicht ausreichend unterstützt wird der Entwurf elektronischer Subsysteme, welche aus vorgegebenen Prozessoren, spezieller Software und anwendungsspezifischen Hardware-Bausteinen bestehen. Hier liegt zur Zeit die zentrale Aufgabe der Entwurfsautomatisierung.

Beispiele eingebetteter Systeme finden sich in Telekommunikationssystemen, Prozeß- und Maschinensteuerungen, Computer Integrated Manufacturing (CIM), Automobilelektronik, parallelen Rechnern, Avioniksystemen, medizinischen Systemen, Signal- und Bildverarbeitung, Mikrosystemen, Robotern usw.

Die Arbeiten der Forschungsschwerpunkts "Entwurfsverfahren" bestehen darin, den Entwurf von eingebetteten elektronischen Systemen methodisch zu erfassen und zu automatisieren. Auf diese Weise können der Entwicklungsaufwand reduziert, die Entwurfszeit verkürzt und Eigenschaften wie Korrektheit, Prüfbarkeit, Zuverlässigkeit, Robustheit und Wartbarkeit beim Entwurf einbezogen werden.

Ziele

Größere Systeme bestehen in der Regel aus heterogenen Teilkomponenten. Zur Implementierung werden je nach Voraussetzung klassische algorithmische Verfahren, regelbasierte oder andere ableitungsorientierte Methoden verwendet. Teilaufgaben, die nicht durch ein explizites mathematisches Modell beschreibbar, sondern implizit durch Datensätze spezifiziert sind, erfordern konnektionistische Verfahren.

Teile komplexer Systeme werden meist in Software implementiert und erfordern entsprechende Hilfsmittel. Solche Hilfsmittel müssen entwickelt und gezielt an ausgesuchten Anwendungen erprobt werden. Beispiele sind Qualitätsmessung, Betriebssystemfunktionen im Blick auf Echtzeit, Sicherheit und Unterstützung des Entwurfsprozesses, Spezifikationsverfahren, Analysetechniken, Transformationstechniken.

Die Software für Anwendungen muß Qualitätsanforderungen wie Funktionalität, Sicherheit, Wiederverwendbarkeit und Wartbarkeit gerecht werden. Die Erfüllung dieser Anforderungen wird erreicht durch eine geeignete Aufbereitung existierender Systeme als auch durch die Entwicklung von Methoden und Werkzeugen zur Sicherstellung einer hohen Produktionsqualität.

Zur Entwicklung spezieller Hardwareelemente werden Entwurfswerkzeuge bereitgestellt, integriert und angewendet, die auf speziellen Algorithmen basieren. Die Kernbereiche Synthese, Verifikation und Test, aber auch die Integration in Entwurfsumgebungen werden dabei systematisch erforscht. Die resultierenden Werkzeuge und Methoden werden anschließend für die oben genannten Anwendungen eingesetzt. Darüber hinaus werden hochwertige Entwurfsumgebungen bereitgestellt. Beispiele sind neuartige Betriebssystemkomponenten, Entwurfswerkzeuge und Entwurfsdienste, wie sie etwa in EUROCHIP an Hochschulen und intern angeboten werden, sowie die Integration eigener und kommerzieller Werkzeuge zu einer homogenen Entwurfsumgebung.

Beteiligte Institute

• Institut für Systementwurfstechnik, SET

• Institut für Rechnerarchitektur und Softwaretechnik, FIRST

• Institut für Anwendungsorientierte Software- und Systemtechnik, ISA

Kooperationspartner

Koordination

Ergebnisse

Im Berichtsjahr wurden die Arbeiten im BMFT-geförderten Verbundprojekt "Synthese digitaler System" begonnen. Entwickelt und implementiert wurde als Kern eines Entwurfssystems für Hardware-/Software-Co-Design die zentrale Datenstruktur sowie Interfaces zur Eingabe von Spezifikationen und zur Ausgabe von Hardware-Beschreibungen. Als wesentlicher funktionaler Bestandteil wurde außerdem ein Programm zur High- Level-Synthese von Hardware-Strukturen entwickelt. Wesentlich weiterentwickelt wurden die Werkzeuge für die automatische Testerzeugung und die Fehlersimulation in digitalen Schaltungen. Zum Jahresende 1993 wurde auch die Implementierung eines Testmustergenerators für sequentielle Schaltungen fertiggestellt. Damit steht industriellen Anwendern ein weit über den Stand der kommerziellen Technik hinausgehende Satz von Programmen zur Verfügung, der insbesondere auf Elektronik in sicherheitskritischen Anwendungen ausgerichtet ist.

Die Arbeiten zur Spezifikation komplexer Systeme konzentrierten sich im wesentlichen auf zwei Vorhaben: Im ersten Projekt zur horizontalen Integration von Programmierparadigmen wurden anhand eines industriellen Beispiels grundlegende Komponenten einer Programmier- Methodik für eingebettete Systeme mit Realzeit-Beschränkungen erarbeitet. Diese fließen in die Entwicklung einer Codesign-Sprache ein, die objektorientierte Entwurfsmethoden mit der Verhaltensbeschreibung durch eine synchrone Programmiersprache (Esterel) verbindet. Ein Schwergewicht wurde auf die Modellierung von harten und weichen Realzeit-Anforderungen gelegt. Eine erste Version der Sprache ist definiert sowie Teile eines Übersetzers geschrieben, die Datenoperationen in C++- Moduln und die Verhaltensbeschreibung in ein Esterel Programm übersetzt. Die ganze Entwicklungsmethodik wurde an dem Fallbeispiel "Produktionszelle" eines BMFT- Verbundprojekts erprobt. Ein besonderes Augenmerk wurde auf die Integration von Test- und Verifikationsmethoden gelegt. Erste Überlegungen hierzu wurden als methodische Vorarbeiten zur Konstuktion einer Analysewerkbank veröffentlicht.

Neuartige Programmiermodelle

Für die Herstellung verifizierter Software sind mathematische Entwicklungsmethoden mit hohem formalen Beweisaufwand erforderlich. Im Berichtsjahr wurden Verfahren untersucht, um die Produktivität und die Akzeptanz der Herstellung von korrekter Software aus formalen, nicht ausführbaren Spezifikationen durch Computer- Unterstützung des Anwenders bei der Implementierung und Verifikation zu verbessern. Dabei wurde die Arbeit an der Automatisierung einfacher konstruktiver Implementierungsbeweise abgeschlossen. Mit Hilfe einer neu entwickelten Sortendisziplin können erstmals gewisse Beweisschritte automatisch gefunden werden. Eine Prototypimplementierung dieses Verfahrens wird gegenwärtig vorgenommen.

Ein weiteres Projekt untersuchte Methoden, Software auf der Basis deklarativer, ausführbarer Spezifikation zu erstellen und durch wissensbasierte Programmtransformationstechniken korrekte Implementationen beziehungsweise Respezifikationen zu erhalten. Entwickelte Methoden zur Inferenz mit Typen in logischen Programmen erlauben die Integration problembezogener (semantischer) Information in den syntaktischen Ableitungsprozeß beziehungsweise die Generierung von Typ- Informationen zur Debug-Unterstützung. Eine weitere Anwendung der deklarativen, wissensbasierten Verfahren erfolgt im Bereich der Produktionsplannungsverfahren. Für die Verteilung von Aufträgen wird störungsbedingtes Umplanen als integraler Bestandteil der Planung behandelt. Weiterhin wurde ein Ansatz entwickelt, um unterschiedlichste Planungssituationen durch ein abstraktes Modell zu erfassen.

Im Bereich des Konnektionismus stehen die Auswahl geeigneter neuronaler Netztypen für gegebene Probleme, deren effiziente Implementierung und der Einbau neuronalen Komponente in ein Gesamtsystem im Vordergrund. Neuronale Netze wurden für die Analyse von Bewegungsspektren und zur Verarbeitung von Sprachsignalen eingesetzt. Zur Spezifikation von neuronalen Netzen wurde eine abstrakte Spezifikationssprache definiert. Ein Compiler, der diese Spezifikationen in C++ transformiert, befindet sich in der Entwicklung. Für die Parallelisierung neuronaler Netze auf MIMD-Architekturen wurden verschiedene Konzepte entwickelt und prototypisch für feedforward-Netze auf dem MANNA-Rechner implementiert.

Softwarequalität und Reengineering

Entwurfsanwendungen

Der entwickelte Fuzzy Controller wurde im Berichtszeitraum als Baustein (ASIC) gefertigt und in seiner ersten Form im Laufe des Jahres patentiert. Ein erster Einsatz war die adaptive Regelung eines Stoßdämpfers. Als zweite Anwendung ist die kollisionsfreie Fahrt einer autonomen Roboter-Plattform in Vorbereitung. Durch den neuartigen Ansatz ist es möglich, den Einfluß vom Sensor auf den Aktor zu dadurch zu optimieren, daß der intelligente ASIC-Baustein die Auswertung der Sensor Daten und gleichzeitig die Steuerung übernimmt. Durch die gegebene Möglichkeit der Regelanpassung während des Betriebes kann der gleiche Controller für mehrere verschiedene Aufgaben eingesetzt werden, was zu einer Reduktion der Herstellungskosten des Systems führen kann.

Das neu entwickelte handschriftliche Zeichenerkennungsverfahren basiert auf einem regelbasierten Ansatz, der als Ziel die Erkennung von gebundener Handschrift unterschiedlicher Benutzer (Omnifont) vorsieht. In der ersten Entwicklungsstufe wurde eine Fuzzy Sprache entwickelt, mit Hilfe derer die Regeln automatisiert aus einem Trainingssatz extrahiert werden. Das System soll in seiner endgültigen Version einen zweistufigen Klassifikator enthalten, der in seiner zweiten Stufe durch zusätzliche kontextbedingte Information zu einer höheren Erkennungsrate führen soll.

Evolutionäre Algorithmen verwenden Prinzipien der natürlichen Evolution zur Verbesserung von Problemlösungen auf dem Computer. Die Theorie eines von der GMD entwickelten züchtergesteuerten genetischen Algorithmus (Breeder Genetic Algorithm, BGA) beruht auf der klassischen Züchtung. Wesentliches Element ist die Schätzung des Züchtungserfolges R(t) sowie des Selektionsdifferentials S(t). Im Berichtsjahr wurden diese Algorithmen implementiert und anhand diskreter kombinatorischer Probleme analysiert.

Als Ergänzung der Arbeiten zu Werkzeugen für die Testvorbereitung von ICs wurde eine Schaltung entwickelt, welche auf einem IC den Test durch Ruhestrommessung ermöglicht. In Kombination mit Entwurfswerkzeugen für den automatischen Test und Fehlersimulation stellt dies einen wichtigen Schritt auf dem Weg zum "zero-defect- test" für CMOS-ICs dar.

Im Rahmen des BMFT-Verbundes "Mikrosystemtechnik" wurden Modelle für die gemeinsame Simulation von mechanischen und elektronischen Bauteilen entwickelt und implementiert. Darüber hinaus wurde ein "Fehlerhandbuch" als Hilfsmittel für industrielle Anwender von Simulatoren für die Mikrosystemetchnik erstellt, welches in der Praxis Hilfestellungen bei der Handhabung komplexer Simulationsprogramme gibt.

Integration und Entwurfsprozeß

Daneben stehen Arbeiten zur Unterstützung von kleinen Arbeitsgruppen im Vordergrund. Das dabei verwendete Benutzungsmodell formalisiert die Zusammenarbeit von bis zu acht Personen im Rahmen eines High-Level-Synthese-Systems. Das Modell umfaßt die Entscheidungsunterstützung des Benutzers innerhalb des Designprozesses, das Bereitstellen von designspezifischem Wissen und die Analyse von Design-Entscheidungen. Darüber hinaus wird der Benutzer beim Konfigurations- Management und bei der Verwaltung seiner Aufgaben unterstützt.

Zur Validierung von Standards, die in der CAD Framework Initiative (CFI) entwickelt werden, und der Beratung der europäischen Industrie in der Anwendung von CFI Standards wurde in der GMD das EuroCFI Technical Center eingerichtet. Hier besteht eine enge Kooperation mit der 1993 gegründeten European CAD Standards Initiative, Inc.

Zur Entwicklung einer Software-Infrastruktur (CAD-Framework), die es erlaubt, anwendungsspezifische Entwurfsumgebungen zu generieren und zu verwalten, wurden in zwei Teilbereichen Beiträge geliefert: Zum einen wurde ein Transaktionsmodell mit Unterstützung von CAD-Semantik entworfen, zum anderen Anforderungen an eine Schnittstellengenerierung für die Einkapselung von CAD-Werkzeugen untersucht.

Zum Konfigurationsmanagement für Entwurfsergebnisse und Strukturierung von Entwicklungsaktivitäten in einer Aufgabenhierarchie hat die GMD die Entwicklungsumgebung ADDD entwickelt. Alle Informationen in ADDD können von Benutzern und Werkzeugen netzwerkweit benutzt und kontrolliert fortgeschrieben werden, wobei Änderungen im Netz propagiert werden. Diese Entwicklungsumgebung kann objektorientiert um weitere Funktionalität und Werkzeuge erweitert werden; sie ist als public domain Software frei verfügbar.

Responsive Systeme

Die Anforderungen, die durch das "Concurrent Engineering" gegeben sind, müssen im Hinblick auf Verteiltheit, Fehlertoleranz, Kommunikation und Interoperabilität erfüllt werden. Dazu muß den Entwicklern von Anwendungstools und Frameworks ein geeignetes Werkzeug zur Verfügung gestellt werden, welches auch individuelle, anwendungsspezifische Sicherheitsanforderungen verschiedenster Anwendungssysteme in verteilten Systemarchitekturen erfüllt.

Im Berichtsjahr wurde eine Systemunterstützung für verläßliche, objektorientierte Anwendungen abschließend entwickelt und damit ein verbessertes Transaktionskonzept realisiert, das es erlaubt, Fehlersituationen und die Kontrolle mehrerer, verteilter Berechnungen einfach handhaben zu können. Ein in der GMD entwickelter Transaktionsmanager wurde in die gemeinsame Plattform für verteilte Applikationen integriert. Der Transaktionsmanager unterstützt auch Interoperabilität mit anderen Systemen (auch relationalen Datenbanken) über die X/Open X/A Standardschnittstelle.

Am Beispiel von INFORMIXreg. wurde demonstriert, wie auch verteilte Anwendungen im kommerziellen Bereich realisiert werden können. Neben Anwendungsbeispielen aus dem Bereich Computer Supported Cooperative Work, die über eine interaktive graphische Schnittstelle gesteuert werden können, wurde ein kompletter Anwendungsbereich über die Implementierung von standardisierten Plattform- Schnittstellen für Computer Aided Design erschlossen. In der GMD entwickelte Werkzeuge für Computer Aided Design sind in enger Zusammenarbeit mit den Werkzeug-Entwicklern auf das System übertragen worden. Die Offenheit und Erweiterbarkeit des Systems sowie das flexible Transaktionskonzept haben das Interesse von Industriepartnern für Kooperationen zur Erschließung weiterer Anwendungen aus dem Bereich des Concurrent Engineering hervorgerufen.

In einem weiteren direkten Kooperationsprojekt mit OSF/RI in Grenoble wurde das Meßsystem an das OSF/1 Betriebssystem angepaßt und im Juli 1993 abschließend an den Kooperationspartner übergeben. Darüber hinaus wurde das System auch in Lizenz an eine Reihe anderer Forschungseinrichtungen weitergegeben.

Der Schwerpunkt von auf einer in der GMD entwickelten Sicherheitsarchitektur aufbauenden Arbeiten lag in der Validierung innovativer und kritischer Architekturkonzepte; für diese Konzepte wurden prototypische Implementierungen vorgenommen. Im Mittelpunkt der Untersuchungen standen das Konzept der Wächterobjekte und das der Vertrauensbereiche. Für beide Konzepte wurden partielle prototypische Erprobungen durchgeführt, die die praktische Umsetzbarkeit dieser Konzepte nachwiesen.

Service, Standards und Kooperation

In dem im Jahre 1989 von der Europäischen Kommission gestarteten und geförderten EUROCHIP-Projekt hat sich die Anzahl der unterstützten Universitäten, Hoch- und Fachhochschulen im Bereich des VLSI Training und Design inzwischen auf 320 erhöht. In dieser Zahl enthalten sind zwanzig Universitäten aus Osteuropa, die im Berichtsjahr aufgenommen wurden. Um der großen Anzahl von Teilnehmer den gleichwertigen hohen Service anzubieten, wurde das Konsortium durch die Aufnahme des spanischen nationalen Mikroelektronikzentrum aus Barcelona auf sechs erweitert.

Ausgewählte Publikationen

Bøegh, J.; Hausen, H. L.; Welzel, D.: Metric-Based Software Evaluation, in: G. Quentin (ed.): BCS 1st European International Conference on Software Testing, Analysis and Review, London, UK, October 25-28, 1993

Boley, H. (DFKI, Kaiserslautern); Bry, F. (ECRC, München); Geske, U. (GMD): Neuere Entwicklungen der deklarativen KI-Programmierung, Informatik aktuell, Springer- Verlag, Sept. 1993

Gabriel, R.; Wolf, A. und Keller, W.: Die Umsetzung formaler Spezifikationen graphischer Objekte in konkrete Darstellungen, GI-Workshop "Computergrafik und automatische Layoutsynthese", Eisenach, Oktober 1993

Geske, U. und Goltz, H. J.: Verallgemeinerte Behandlung von Constraints in einem CLP- System, in: Proc. Neuere Entwicklungen der deklarativen KI-Programmierung, KI'93, DFKI- Report RR-93-35, Sept. 1993

Geske, U.; Goltz, H. J.; Lenz, M.: Composing Type-Checked Programs, in: Proc. ILPS'93, Vancouver, Okt. 1993

Goltz, H. J.: Controlling Deduction through Declarative Constructs, Dagstuhl Seminar on Deduction, Dagstuhl-Seminar-Report 58, 8.- 12.3.1993

Härtig, H.; Kühnhauser, W. E.; Kowalski, O. C.: The BirliX Security Architecture, in: Journal of Computer Security, IOS Press, Amsterdam, 4. Mai 1993, pp. 1-17

Klaaßen, B.; Paap, K. L.: SPAN: Tightly coupled thermal and electrical simulation, EURODAC '93, Hamburg, 20.-24. September 1993, IEEE Computer Society, Los Alamitos, California, pp. 294-298

Kleinhans, U.; Kaiser, J.; Czaja, K.: Spearmints: Hardware Support for Performance Measurements in Distributed Systems, IEEE Micro, October 1993

Kock, G. and Serbedzija, N. B.: Object-Oriented and Functional Concepts in Artificial Neural Network Modelling, in: Proc. Int. Joint Conf. on Neural Networks, Nagoya, October 1993

Lenz, M.: CABATA - A hybrid CBR system, in: Pre-prints of the First European Workshop on Case-Based Reasoning (EWCBR-93), University of Kaiserslautern, November 1993

Malaviya, A.; Peters, L.; Camposano, R.: A Fuzzy Online Handwriting Recognition System: FOHRES 2nd Int. Conference Fuzzy Theory & Technology Control & Decision, Durham, N.C., 13.-16. Oktober, 1993

Meyer, W. and Camposano, R.:. Fast Hierarchical Multi-Level Fault Simulation of Sequential Circuits with Switch-Level Accuracy, in: Proc. ACM/IEEE 30th Design Automation Conf., Dallas, June 1993, pp. 515-519

Müller, K.-R.; Stiefvater, T.; Janßen, H.: Associative Storage and Retrieval of Highly Correlated Natural Pattern Sets in Diluted Hopfield Networks, in: ICNN'93 (IEEE Int. Conf. on Neural Networks) San Francisco, USA, 1993, pp. 889-894

Müllerburg, M.: Software Testing: A Stepwise Process In Software Engineering: A European Perspective. Thayer, R. and McGettrick, A. (eds.), IEEE Computer Society Press, 1993, pp. 437-456

Paap, K. L.; Dehlwisch, M.; Jendges, R.; Klaaßen, B.: Modeling Mixed Systems with SPICE3, IEEE Circuits and Devices, Band 9, Heft 5, September 1993, New York, pp. 7-11

Paap, K. L.; Klaaßen, B.: Functional Modelling of Mixed Systems using SPICE3, in: Proc. 3rd International Design Automation Workshop, Russian Workshop '93, July 19-20, 1993, Moscau, pp. 171-176

Paap, K. L.; Klaaßen, B.: Multi-Level-Simulation von Mikrosystemen, 38. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium der TU Ilmenau, 20.-23. September 1993

Peters, L.; Beck, K.; Camposano, R.: Adaptive Fuzzy Controller Improves Comfort, IEEE International Conference on Fuzzy Systems, San Francisco, 28. März-1. April, 1993

Pinna, G. M.; Poigné, A.: On the Specification of Elementary Event Automata, in: Proceedings Conference on Mathematical Foundations of Program Semantics, New Orleans, Speinger Lecture Notes, 1993

Schettler, O. and Bredenfeld, A.: BEPPO: A Data Model for Design Representation, in: Proceedings of EuroDAC'93, Hamburg, September 20-24, 1993

Stiefvater, T.; Müller, K.-R.; Janßen, H.: Sparsely Connected Hopfield Networks for the Recognition of Correlated Pattern Sets, Network: Computation in Neural Systems, 4, 1993, pp. 313-336

Vierhaus, H. T.; Meyer, W.; Gläser, U.: CMOS Bridges and Resistive Transistor Faults: IDDQ versus Delay Effects, in: Proc. IEEE International Test Conference, Baltimore, October 1993, pp. 83-89

Weber, M.; Simons, M; Lafontaine, C.: The Generic Development Language Deva: Presentation and Case Studies, LNCS 783, Springer Verlag, 1993

Welzel, D.: Spezifying and Evaluating Causal Dependencies within Software Engineering Processes, in: Kafka, P.; Wolf, J. (Hrg.): Savety and Reliability Assessment - and Integral Approach, Proc. of Esrel 93, München, 19-21 Mai 1993, Elsevier Science Publishers, Amsterdam 1993